El 14avo simposio de arquitectura de redes y sistemas de comunicación tuvo lugar en Ithaca, NY durante los días 23 y 24 de Julio de 2018. En el encuentro de expertos que explora nuevos algoritmos y métodos para mejorar los elementos de hardware y software sobre los que se construyen las redes de comunicación de datos, estuvo presente la delegación NICLabs compuesta por Felipe Espinoza y Jeisson Sánchez.

El primer día después de una serie de retrasos (17 horas) en los vuelos hacía Ithaca por tormentas eléctricas en la zona (Newark precisamente), diferentes panelistas y asistentes (incluyéndome) iniciaron las charlas poco después de lo esperado.

En la primera sesión se destaca la presentación del trabajo del grupo de la UC San Diego “Dark Packets and the end of Network Scaling”, donde denominan Dark Packets a los paquetes descartados debido a los retrasos en tiempos de procesamiento en la Dynamic Random Access Memory (DRAM) para organizar los paquetes debido a su gran tamaño. Shelby Thomas, uno de los autores comentaba que alcanzan a 100ns de latencia en la DRAM debido a que los paquetes llegan más rápido de los que la memoria puede acomodar, esto se observa aún más en conexiones de alta velocidad. Después de observar el comportamiento de la capa hardware (las tarjetas NIC que soportan los 100GbE, jerarquía de memoria) y la capa de software (controlador de nivel de usuario y función de red) como solución proponen un control y gestión de caché mediante una API ‘CacheBuilder’. Esto permite el control explícito de la memoria caché del procesador mediante la creación de cachés específicas de las API a nivel de usuario, maximizando el uso de la caché. 'CacheBuilder' con la implementación de 4 núcleos de procesamiento alcanzó a reducir a cero la tasa de paquetes descartados en un enlace de 40Gb como resultado de las pruebas con dos aplicaciones de alto y bajo nivel de tráfico de paquetes.

Cada día la Virtualización de funciones de red (VNF por sus siglas en inglés) es útil y fácil de implementar de manera general para aplicaciones de seguridad, monitoreo y optimización de redes de servicios de comunicación. Sin embargo, surge una duda ¿Cómo pueden los usuarios en la nube que usan una misma aplicación "Tenants" para asignar y administrar sus cadenas VNF?. Para la segunda sesión se presentó el trabajo 'VNF Chain Allocation and Management at Data Center Scale' en el se que propone asignar cadenas VNF a escala de datacenters, mediante la API "Daisy" y algoritmos estocásticos. Como resultado en las emulaciones (1200 servidores), "Daisy" alcanzó un 96% de eficiencia siendo 82 veces más rápida basada en su motor de asignación superando las limitaciones de otras API como las descritas por los autores.

El segundo trabajo de esta sesión y presentado por Ran Ben Basat 'Network-Wide Routing-Oblivious Heavy Hitters', destaca las ventajas de Redes Definidas por software (SDN por sus siglas en inglés) en la operación y monitoreo de redes de comunicación. Sin embargo, el principal problema de monitorear una red de este tipo mediante un controlador centralizado como explican los autores, es que un paquete no solo pasa a través de un punto de monitoreo de red como hasta ahora se asume en trabajos previos. Por este motivo se desarrolla un algoritmo que supera 3 problemas fundamentales en el monitoreo de red: estimación de frecuencia distribuida, estimación de volumen distribuido y 'Heavy Hitters' distribuidos. El algoritmo de solución tiene un balance acorde respecto al uso de memoria en cada punto de monitoreo y fue probado con trazas de tráfico real. Además, la eficiencia del algoritmo alcanza 0 falsos positivos en la detección de un paquete sin ser contado dos veces por un punto de monitoreo, ni de etiquetar los paquetes, manteniendo así un monitoreo pasivo.

La tercera sesión estuvo conformada por el trabajo 'Evaluating the Performance of Software NICs for 100-Gb/s Datacenter Traffic Control', en la que muestran las ventajas de implementar nuevos métodos de control de tráfico por medio de las controladores de interfaz de red por software (sNICs). La principal es el control de flujo TDMA que tiene como objetivo maximizar el rendimiento de red sobretodo en arquitecturas como los datacenters. El uso de sNICs permite un control de la tasa de transmisión basado en el ancho de banda disponible en el canal y así evitar pérdida/descarte de paquetes como se describió en trabajos previos. Como resultado aunque no se dispone de un gran ancho de banda con enlaces de 100Gb/s, si se logra maximizar el rendimiento de red en enlaces de 40Gb/s.

La otra charla que conformó la tercera sesión fue 'Characterizing the Algorithmic Complexity of Reconfigurable Data Center Architectures', un estudio mediante algoritmos de arquitecturas de red reconfigurables en datacenters. Esto permite optimizar las topologías hasta ahora mayormente usadas que consisten en solo un switch reconfigurable y las políticas de enrutamiento segregan el tráfico (sin discontinuidad). Por otro lado estas topologías se consideran híbridas debido a que son reconfigurables como dispositivos ópticos o inalámbricos, pero hay otros estáticos como los switches eléctricos. El enrutamiento óptimo en este tipo de topologías se considera como un problema NP-hard, lo cual fue comprobado con más de un flujo de comunicación en una red con múltiples switches reconfigurables. Como conclusión se analizó la complejidad algorítmica de las arquitecturas de redes de datacenters basadas en switches reconfigurables, lo cual deja un gran campo de estudio para futuras investigaciones.

Luego vienen las presentaciones cortas (en la imagen se observan los presentadores ansiosos) de la sesión de posters para incentivar al público de asistir en la tarde a observar su trabajo y recibir retroalimentación.

Uno de los posters a destacar es “Network traffic adaptive S-MAC protocol for wireless sensor network” presentado por Jianpo Li. En el trabajo se presentó las modificaciones del protocolo Sensor-Medium Access Protocol- (S-MAC) empleado en redes de sensores inalámbricos. La propuesta del protocolo Traffic Self-Adaptive MAC (TSA-MAC) relaciona el tiempo de BackOff aleatorio con los tiempos de falla de la competencia por el canal, además ajusta de manera dinámica el ciclo de trabajo y potencia de transmisión basado en el flujo promedio de tráfico. Siendo un protocolo de eficiencia energética obtienen mejores resultados en consumo energético (hasta 14% menos) y el tiempo promedio de transmisión (hasta 16.7% menos) respecto a otros protocolos MAC.

Para el segundo día y último, se presenta una arquitectura de caché programable de reenvío de información (FIB por sus siglas en inglés) en el trabajo 'PFCA: A Programmable FIB Caching Architecture'. FIB se ha implementado para solucionar el problema del consumo de energía de Ternary Content-Addressable Memory (una memoria de alta velocidad de búsqueda, ternario por que cuenta con una entrada no binaria que representa al estado de la wildcard) en los routers modernos. La solución PFCA, que emplea dos niveles de caché para detectar los prefijos menos populares en una de ellas para "Victim-caching". Empleando tráfico real y una FIB con alrededor de 600 mil entradas, los autores demostraron que se reduce el número de actualizaciones BGP en la caché manteniendo mejores niveles de estabilidad. Los autores destacan los lenguajes emergentes como PISA y P4, que generan mayor flexibilidad de programación sin sacrificar rendimiento en el procesamiento de paquetes o reconfigurar diferentes tipos de memoria de distintos tamaños en las tablas de reenvío.

Como no destacar el premio a mejor paper “Grafting Sockets for Fast Container Networking” presentado por Ryo Nakamura (The University of Tokyo), donde proponen un canal de comunicación entre la 'socket layer' permitiendo el bypass de las pilas de red de contenedores y las interfaces virtuales, evitando generar la capa (Ethernet-IP-TCP/UDP) en el contenedor, reduciendo latencia y aumentando el throughput.

Una conclusión unánime del simposio ANCS’18 es la adaptación del software de arquitectura de redes en general a las altas tasas de transmisión que cada día se incrementan en las redes de alta velocidad (en especial Datacenters), y una solución actual es mediante Software Defined Networks (SDN) o la implementación de sNICs, eso sin olvidar la virtualización de las funciones de red dentro de varios operadores de la nube. El programa completo y slides se encuentran en ANCS'18